JP2002250943A

JP2002250943A - 液晶素子

Info

Publication number: JP2002250943A
Application number: JP2001047535A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nakamura; 真一中村; Takeshi Togano; 剛司門叶; Koji Shimizu; 康志清水; Masahiro Terada; 匡宏寺田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高速応答のカイラルスメクチック液晶を用
い、高画質の動画像を長期に亘って安定して表示しうる
液晶素子を構成する。【解決手段】分子軸方向に直交する方向の誘電率ε
（⊥）が４．０を超えるカイラルスメクチック液晶を用
い、電圧無印加時には単安定化された第一の配向状態を
示し、電圧印加時には、印加電圧の極性に応じてチルト
角の異なる配向状態を示すように素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示素子、特にフ
ラットパネルディスプレイ、プロジェクションディスプ
レイ、プリンタ等に用いられるライトバルブに使用され
る液晶素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ネマチック液晶素子におい
て、一つ一つの画素にトランジスタ（例えば薄膜トラン
ジスタ；ＴＦＴ）のようなアクティブ素子を配置した、
アクティブマトリクス型と呼ばれる液晶素子の開発が行
われている。現在、このアクティブマトリクス型の液晶
素子に用いられるネマチック液晶のモードとして、例え
ば、Ｍ．シャット（Ｓｃｈａｄｔ）とＷ．ヘルフリッヒ
（Ｈｅｌｆｒｉｃｈ）著、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，第１８巻、第４号（１９７１年
２月１５日発行）、第１２７頁〜１２８頁において示さ
れたツイステッドネマチック（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍ
ａｔｉｃ；ＴＮ）モードが広く用いられている。また、
最近では、横方向電界を利用したインプレインスイッチ
ング（Ｉｎ−ＰｌａｉｎＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード
が発表されており、ＴＮモード液晶素子の欠点でもあっ
た視野角特性の改善がなされている。

【０００３】その他、上述したＴＦＴ等のアクティブ素
子を用いない、ネマチック液晶素子の代表例として、ス
ーパーＴＮモードがある。このように、ネマチック液晶
を用いた液晶素子は様々なモードが存在するが、そのい
ずれの場合にも液晶の応答速度が数十ミリ秒以上である
という問題点があった。

【０００４】このような従来のネマチック液晶素子の問
題点を改善するものとして、液晶が双安定性を示す強誘
電性液晶素子（ＳｕｒｆａｃｅＳｔａｂｉｌｉｚｅｄ
ＦＬＣ；ＳＳＦＬＣ）がクラーク（Ｃｌａｒｋ）及び
ラガウェル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されてい
る（特開昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３
６７９２４号明細書）。この双安定性を示す液晶として
は、一般にカイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^*）を示
す強誘電性液晶が用いられている。この強誘電性液晶で
は、電圧印加の際に液晶分子の自発分極に電圧が作用
し、分子の反転スイッチングがなされるため、非常に速
い応答速度が得られる上にメモリ性のある双安定状態を
発現させることができる。さらに視野角特性も優れてい
ることから、高速、高精細、大面積の表示素子或いはラ
イトバルブとして適していると考えられる。

【０００５】一方、最近では液晶が３安定状態を示す反
強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）が注目されている。この反強
誘電性液晶も強誘電性液晶同様に、液晶分子の自発分極
への作用により分子の反転スイッチングがなされるた
め、非常に速い応答速度が得られる。この液晶材料は、
電圧無印加時には液晶分子が互いに自発分極を打ち消し
合うような分子配列構造を取るため、電圧を印加しない
状態では自発分極は存在しないことが特徴となってい
る。

【０００６】こうした自発分極により反転スイッチング
を行う強誘電性液晶や反強誘電性液晶は、いずれもカイ
ラルスメクチック液晶相を示すカイラルスメクチック液
晶である。即ち、従来ネマチック液晶が抱えていた応答
速度が遅いという問題点を解決できる液晶材料として液
晶素子の実現が期待されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、高速
応答性など次世代のディスプレイ等に自発分極を有する
スメクチック液晶が期待されているが、特に上述の双安
定状態や３安定状態を用いるモードでは、一画素内での
階調表示が原理的に困難であった。

【０００８】そこで、近年、カイラルスメクチック液晶
を用いて階調制御を行うモードとして、「ショートピッ
チタイプの強誘電性液晶」、「高分子安定型強誘電性液
晶」、「無しきい値反強誘電性液晶」などが提案されて
いるが、いずれも実用に十分なレベルに至っているもの
はない。

【０００９】一方、液晶素子において、従来型の素子
（ネマチック相を用いるモード）の液晶部分の応答速度
を単に高速化させるだけでは、人間の感じる動画高速応
答特性が得られないことが最近の研究（信学技法ＥＩＤ
９６−４ｐ．１９など）から明らかになってきている。
これらの研究結果では、人間が動画表示が高速であると
感じる手法として、シャッタを用いて時間開口率を５０
％以下にする方式、または２倍速表示方式を用いること
により動画質改善に効果的であるとの結論が得られてい
る。

【００１０】しかしながら、従来型のネマチック相を用
いるモードでは、液晶の応答速度が不十分であるため、
上述の動画表示方法を用いることができないことはもと
より、これまで提案されている高速応答のカイラルスメ
クチック液晶、さらに上述した「ショートピッチタイプ
の強誘電性液晶」、「高分子安定型強誘電性液晶」、
「無しきい値反強誘電性液晶」などを用いて上述の高速
での良好な動画表示を実現するためには、いずれのスメ
クチックモードを用いても駆動方法や周辺回路が複雑に
なると言う問題点を有しており、コストアップの要因と
なっていた。また、完全に時間開口率を５０％以下と設
定した場合、表示素子全体の明るさそのものが５０％以
下となってしまい、表示輝度の低下を招くのは明らかで
ある。

【００１１】本出願人は、カイラルスメクチック液晶を
電圧無印加時に単安定化させ、電圧印加時には印加電圧
の極性によってチルトする角度が異なるように配向させ
ることによって、上記動画質向上を図る技術を提案して
いるが、長時間駆動した際に配向状態が経時的に変化す
る場合があった。

【００１２】本発明の課題は、上記問題点を解決し、高
速応答のカイラルスメクチック液晶を用いて、良好な階
調表示を行うと同時に、優れた動画質表示を長期に亘っ
て安定して実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、カイラルスメ
クチック液晶と、該液晶に電圧を印加するための電極
と、該液晶を挟持して対向すると共に、少なくとも一方
の対向面に該液晶を配向させるための一軸配向処理が施
された一対の基板と、を少なくとも備えた液晶素子であ
って、上記液晶の、液晶分子軸方向に直交する方向の誘
電率ε（⊥）が４．０を超え、電圧無印加時には、液晶
の平均分子軸が単安定化された第一の状態を示し、第一
の極性の電圧印加時には、該液晶の平均分子軸が印加電
圧の大きさに応じた角度で上記第一の状態の位置から一
方の側にチルトし、該第一の極性とは逆極性の第二の極
性の電圧印加時には、液晶の平均分子軸が印加電圧の大
きさに応じた角度で上記第一の状態の位置から第一の極
性の電圧印加時とは逆側にチルトし、上記第一の極性の
電圧印加時と第二の極性の電圧印加時の液晶の平均分子
軸の第一の状態の位置を基準とした最大チルト状態のチ
ルト角をそれぞれβ₁、β₂とすると、β₁＞β₂となるこ
とを特徴とする液晶素子である。

【００１４】上記本発明においては、上記β₁、β₂がβ
₁≧５×β₂であること、上記液晶が、カイラルスメクチ
ック相において誘電率ε（⊥）が４．０を超えること、
上記液晶の相転移系列が、降温時に、等方性液体相−コ
レステリック相−カイラルスメクチックＣ相または等方
性液体相−カイラルスメクチックＣ相であって、該液晶
のスメクチック層の法線方向が実質的に一方向であるこ
と、上記液晶のバルク状態でのらせんピッチがセル厚の
２倍より長いこと、複数の画素を有し、画素毎に画素電
極とアクティブ素子を備え、該アクティブ素子を介して
各画素の液晶をアクティブマトリクス駆動し、アナログ
階調表示を行うこと、を好ましい態様として含むもので
ある。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者等は、カイラルスメクチ
ック液晶を用いた表示モードにおいて、分子軸に対して
垂直成分の誘電率ε（⊥）が電圧に対する配向安定性に
大きく関与していることを見い出し、本発明を達成した
ものである。

【００１６】即ち、本発明の液晶素子は、カイラルスメ
クチック液晶と、該液晶に電圧を印加するための電極
と、該液晶を挟持して対向すると共に、少なくとも一方
の対向面に該液晶を配向させるための一軸配向処理が施
された一対の基板と、を少なくとも備えた液晶素子であ
って、上記液晶の、液晶分子長軸方向に直交する方向の
誘電率ε（⊥）が、特にカイラルスメクチック相におい
て４．０を超え、電圧無印加時には、液晶の平均分子軸
が単安定化された第一の状態を示し、第一の極性の電圧
印加時には、該液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに
応じた角度で上記第一の状態の位置から一方の側にチル
トし、該第一の極性とは逆極性の第二の極性の電圧印加
時には、液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた
角度で上記第一の状態の位置から第一の極性の電圧印加
時とは逆側にチルトし、上記第一の極性の電圧印加時と
第二の極性の電圧印加時の液晶の平均分子軸の第一の状
態の位置を基準とした最大チルト状態のチルト角をそれ
ぞれβ₁、β₂とすると、β₁＞β₂となることを特徴とす
る。

【００１７】本発明において用いられるカイラルスメク
チック液晶は、相転移系列が、降温時に、等方性液体相
（Ｉｓｏ．）−コレステリック相（Ｃｈ）−カイラルス
メクチックＣ相（ＳｍＣ^*）またはＩｓｏ．−ＳｍＣ^*で
あり、さらに、スメクチック層の法線方向が実質的に一
方向であるカイラルスメクチック液晶が好ましい。本発
明に用いられるカイラルスメクチック液晶として好まし
い液晶組成物を構成する化合物の具体例を下記に示す。

【００１８】

【化１】

【００１９】Ｒ₁、Ｒ₂：炭素数が１〜２０である置換基
を有していても良い直鎖または分岐状のアルキル基Ｘ₁、Ｘ₂：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄：ＨまたはＦｎ：０または１

【００２０】

【化２】

【００２１】Ｒ₁、Ｒ₂：炭素数が１〜２０である置換基
を有していても良い直鎖または分岐状のアルキル基Ｘ₁、Ｘ₂：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄：ＨまたはＦ

【００２２】

【化３】

【００２３】Ｒ₁、Ｒ₂：炭素数が１〜２０である置換基
を有していても良い直鎖または分岐状のアルキル基Ｘ₁、Ｘ₂：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄：ＨまたはＦ

【００２４】

【化４】

【００２５】Ｒ₁、Ｒ₂：炭素数が１〜２０である置換基
を有していても良い直鎖または分岐状のアルキル基Ｘ₁、Ｘ₂：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄：ＨまたはＦ

【００２６】以下、本発明の液晶素子を具体的な実施形
態を挙げて説明する。

【００２７】図１は、本発明の液晶素子の一実施形態の
基本構成を示す断面模式図である。図中、１ａ、１ｂは
基板、２ａ、２ｂは電極、３ａ、３ｂは絶縁層、４ａ、
４ｂは配向膜、５は液晶、６はスペーサである。

【００２８】図１の液晶素子は、一対のガラス、プラス
チック等透明性の高い材料からなる基板１ａ、１ｂ間に
液晶５を挟持して構成される。基板１ａ、１ｂにはそれ
ぞれ液晶１に電圧を印加するためのＩｎ₂Ｏ₃、ＩＴＯ等
の材料からなる電極２ａ、２ｂが設けられており、例え
ば後述するように一方の基板にドット状の透明電極を画
素電極としてマトリクス状に配置し、各画素電極にＴＦ
Ｔ素子を接続し、他方の基板には一面上或いは所定のパ
ターンの対向電極を設けアクティブマトリクス構造を形
成することが好ましい。

【００２９】電極２ａ、２ｂ上には、必要に応じてこれ
らのショートを防止する等の機能を持つＳｉＯ₂、Ｔｉ
Ｏ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の材料からなる絶縁膜３ａ、３ｂがそ
れぞれ設けられる。

【００３０】さらに、絶縁膜３ａ、３ｂ上には、液晶５
に接し、その配向状態を制御するべく機能する配向膜
（配向制御膜）４ａ、４ｂが設けられている。本発明に
おいては、液晶５に接する面の少なくとも一方に一軸配
向処理が施されている必要があり、本実施形態の構成に
おいては、配向膜４ａ、４ｂの少なくとも一方が一軸配
向膜であれば良い。また、配向膜４ａ、４ｂがいずれも
一軸配向膜である場合、それぞれの一軸配向処理方向
（特にラビング方向）を、用いる液晶材料に応じて平
行、反平行（平行で且つ処理方向が互いに逆向き）、或
いは４５°以下の範囲で交差するように設定することが
できる。

【００３１】配向膜４ａ、４ｂとしては、例えば、ポリ
イミド、ポリイミドアミド、ポリアミド、ポリビニルア
ルコール等の有機材料を溶液塗工した膜の表面にラビン
グ処理を施したもの、或いは、ＳｉＯ等の酸化物、窒化
物を基板に対して斜め方向から所定の角度で蒸着した無
機材料の斜方蒸着膜を用いることができる。

【００３２】尚、配向膜４ａ、４ｂについては、その材
料の選択、処理（一軸配向処理等）の条件等により、液
晶５の分子のプレチルト角α（液晶分子の配向膜界面付
近で膜面に対してなす角度）が調整される。

【００３３】基板１ａ及び１ｂはスペーサ６を介して対
向している。かかるスペーサ６は、基板１ａ、１ｂの間
の距離（セル厚、セルギャップ）を決定するものであ
り、シリカビーズ等が用いられる。ここで決定されるセ
ル厚については、液晶材料の違いによって最適範囲及び
上限値が異なるが、均一な一軸配向性、また電圧無印加
時に液晶分子の平均分子軸をほぼ配向処理軸の平均方向
の軸と実質的に同一にする配向状態を発現させるべく、
０．３〜１０μｍの範囲に設定することが好ましい。ま
た、液晶のバルク状態におけるラセンピッチが当該セル
厚の２倍以上となるようにセル厚を設定することが好ま
しい。さらに、このセルギャップの値は、所望のリタデ
ーション値となるように、適宜調整して設定することが
好ましい。

【００３４】スペーサ６に加えて、基板１ａ及び１ｂ間
の接着性を向上させ、液晶の耐衝撃性を向上させるべ
く、エポキシ樹脂等の樹脂材料等からなる接着粒子を分
散配置することもできる（図示せず）。

【００３５】本実施形態の液晶素子は、液晶５の材料の
組成を調整し、さらに液晶材料の処理や素子構成、例え
ば配向膜４ａ、４ｂの材料、処理条件等を適宜設定する
ことにより、電圧無印加時には、液晶の平均分子軸（液
晶分子）が単安定化された配向状態（第一の状態）を示
し、第一の極性の電圧印加時には、該液晶の平均分子軸
が印加電圧の大きさに応じた角度で連続的に上記第一の
状態の位置から一方の側にチルトし、該第一の極性とは
逆極性の第二の極性の電圧印加時には、液晶の平均分子
軸が印加電圧の大きさに応じた角度で上記第一の状態の
位置から第一の極性の電圧印加時とは逆側にチルトする
特性を示すようにする。この時、上記第一の極性の電圧
印加時と第二の極性の電圧印加時の液晶の平均分子軸の
第一の状態の位置を基準とした最大チルト状態のチルト
角をそれぞれβ₁、β₂とすると、β₁＞β₂となるように
調整する。さらに好ましくはβ₁≧５×β₂である。

【００３６】本発明において、液晶５としては前記した
ように、相転移系列が降温時に、Ｉｓｏ．−Ｃｈ−Ｓｍ
Ｃ^*またはＩｓｏ．−ＳｍＣ^*であり、スメクチック層の
法線方向が実質的に一方向であるカイラルスメクチック
液晶が好ましく用いられるが、このような好ましいカイ
ラルスメクチック液晶を用い、下記の４種のいずれかの
処理により、上記した本発明の液晶素子の特徴的な特
性、即ちＳｍＣ^*相においてメモリ性を消失された状態
を形成することができる。

【００３７】１）Ｃｈ−ＳｍＣ^*相転移の際、またはＩ
ｓｏ．−ＳｍＣ^*相転移の際に、一対の基板間に正負い
ずれかのＤＣ電圧を印加する。２）上下一対の基板に異なる材料からなる配向膜を用い
る。３）上下一対の基板の配向膜の処理法（膜の形成条件、
ラビング強度、ＵＶ照射等の処理条件）を変える。４）上下一対の基板の配向膜の下地に設ける層の材料ま
たは膜厚を変える。

【００３８】上記した特性下において、基板１ａ、１ｂ
の少なくとも一方の側に偏光板を配置し、電圧無印加の
状態で最暗状態となるように上記液晶素子を配置し、電
圧印加時には、前記したチルト角の連続的な変化に伴
い、図２に示すような電圧−透過率特性（Ｖ−Ｔ特性）
で素子の透過光量（素子からの出射光量）を電圧変化に
伴いアナログ的に制御することができる。図２におい
て、横軸は印加電圧（Ｖ）、縦軸は素子の光透過率
（Ｔ）を示す。

【００３９】尚、当該液晶素子では、基板１ａ及び１ｂ
の一方に、少なくともＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の
着色部を備えたカラーフィルタを配置することでカラー
表示の液晶素子とすることもできる。また、光源として
Ｒ、Ｇ、Ｂの光源を順次切り換えることで時分割による
混色を利用してフルカラー表示させる方法を用いること
もできる。

【００４０】また、図１に示した液晶素子は透過型の液
晶素子の実施形態であり、通常透明な基板１ａ、１ｂの
両方の外側に偏光板（不図示）を設けて、一方の基板側
からの入射光（例えば外部光源による光）を変調し、他
方側に出射するタイプの素子であるが、本実施形態にお
いては、基板１ａ、１ｂのいずれか一方の側に反射板を
設けるか、或いは一方の基板自体または基板上に設ける
部材として反射性の材料を用い、他方の基板の外側に偏
光板を設けて、入射光及び反射光を変調し、入射側に光
を出射する反射型の液晶素子とすることもできる。

【００４１】本実施形態の液晶素子に対しては、階調信
号を供給する駆動回路を設け、電圧の印加により液晶の
平均分子軸の単安定位置からの連続的なチルト角の変
化、及び該チルト角の変化により素子からの出射光量が
連続的に変化する特性を利用し、階調表示を行う液晶表
示装置を構成することができる。例えば、液晶素子の一
方の基板として前述したようなＴＦＴ等のアクティブ素
子を備えたアクティブマトリクス基板を用い、駆動回路
で振幅変調によるアクティブマトリクス駆動を行うこと
でアナログ階調表示が可能となる。

【００４２】図３〜図５を参照して、本発明の液晶素子
においてこのようなアクティブマトリクス基板を用いた
例について説明する。

【００４３】図３は、本発明の液晶素子に駆動回路を備
えた形で一方の基板（アクティブマトリクス基板）の構
成を中心に模式的に示した平面模式図である。図中、１
０はパネル部、１１は走査信号ドライバ、１２は情報信
号ドライバ、１３は情報信号線（ソース線）、１４はＴ
ＦＴ、１５は画素電極、１６は走査信号線（ゲート線）
である。

【００４４】図３に示す構成では、本発明の液晶素子に
相当するパネル部１０において、駆動手段である走査信
号ドライバ１１に連結したＧ₁〜Ｇ₅の走査信号線（ゲー
ト線）１６と、駆動手段である情報信号ドライバ１２に
連結したＳ₁〜Ｓ₅の情報信号線（ソース線）１３が互い
に絶縁された状態で直交するように設けられており、そ
の各交点の画素に対応してスイッチング素子に相当する
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１４及び画素電極１５が設
けられている（同図では簡略化のため５×５画素の領域
のみを示す）。

【００４５】走査信号線１６は、ＴＦＴ１４のゲート電
極に接続され、情報信号線１３はＴＦＴ１４のソース電
極に接続されており、画素電極１５はＴＦＴ１４のドレ
イン電極に接続されている。かかる構成において、走査
信号ドライバ１１により走査信号線１６がＧ₁、Ｇ₂、…
と線順次に走査選択されてゲート電圧が供給され、この
走査信号線１６の走査選択に同期して情報信号ドライバ
１２から各画素に書き込む情報に応じた情報信号電圧が
情報信号線１３のＳ₁〜Ｓ₅に供給され、ＴＦＴ１４を介
して各画素電極１５に印加される。

【００４６】図４は、図３に示すようなパネル構成にお
ける各画素分（１ビット分）の断面構造の一例の断面模
式図である。図中、２０はアクティブマトリクス基板、
２１は基板、２２はゲート電極、２３はゲート絶縁膜、
２４はａ−Ｓｉ層、２５、２６はｎ⁺ａ−Ｓｉ層、２７
はソース電極、２８はドレイン電極、２９はチャネル保
護膜、３０は保持容量電極、３１は液晶容量、３２は保
持容量、４０は対向基板、４１は基板、４２は共通電
極、４３ａ、４３ｂは配向膜、４９は液晶である。

【００４７】図４の構成においては、ＴＦＴ１４及び画
素電極１５を備えるアクティブマトリクス基板２０と、
共通電極４２を備えた対向基板４０間に、液晶４９が挟
持され、液晶容量（Ｃ_lc）３１が構成されている。ま
た、アクティブマトリクス基板２０については、ＴＦＴ
１４としてアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）ＴＦＴを用い
た例を示している。

【００４８】ＴＦＴ１４はガラス等からなる基板２１上
に形成され、図３に示す走査信号線１６に接続されたゲ
ート電極２２上に窒化シリコン（ＳｉＮ_x）等の材料か
らなる絶縁膜（ゲート絶縁膜）２３を介してａ−Ｓｉ層
２４が設けられており、該ａ−Ｓｉ層２４上にそれぞれ
ｎ⁺ａ−Ｓｉ層２５、２６を介してソース電極２７、ド
レイン電極２８が互いに離間して設けられている。ソー
ス電極２７は図３に示す情報信号線１３に接続され、ド
レイン電極２８はＩＴＯ膜等の透明導電膜からなる画素
電極１５に接続されている。また、ＴＦＴ１４における
ａ−Ｓｉ層２４上をチャネル保護膜２９が被覆してい
る。このＴＦＴ１４は、該当する走査信号線１６が走査
選択された期間においてゲート電極２２にゲート電圧が
印加されオン状態となる。

【００４９】さらに、アクティブマトリクス基板２０に
おいては、画素電極１５と、該画素電極の基板２１側に
設けられた保持容量電極３０によりゲート絶縁膜２３を
挟持した構造により保持容量（Ｃ_s）３２が液晶容量３
１と並列の形で設けられている。保持容量電極３０はそ
の面積が大きい場合、開口率が低下するため、ＩＴＯ膜
等の透明導電膜により形成される。

【００５０】アクティブマトリクス基板２０のＴＦＴ１
４及び画素電極１５上には液晶の配向状態を制御するた
めの配向膜４３ａが設けられている。

【００５１】一方、対向基板４０では、ガラス基板４１
上に、全面同様の厚みで共通電極４２及び液晶の配向状
態を制御するための配向膜４３ｂが積層されている。

【００５２】尚、図４のセル構造は、互いに偏光軸が直
交した関係にある一対の偏光板（不図示）間に挟持さ
れ、透過型液晶素子として用いられる。

【００５３】また、アクティブマトリクス基板として
は、多結晶Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）ＴＦＴを備えた基板を用い
ることもできる。

【００５４】図４に示した画素の等価回路を図５に示
す。図中、５０は自発分極である。

【００５５】図６を参照して上記図３〜図５に示した構
造の液晶素子のアクティブマトリクス駆動について説明
する。本発明の液晶素子におけるアクティブマトリクス
駆動では、例えば１画素において任意の情報を表示する
ための期間（１フレーム）を二つのフィールド（図６の
１Ｆ及び２Ｆ）に分割し、これら２フィールドにおいて
平均的に所定の情報に応じた透過光量を得る。

【００５６】図６（ａ）は、１画素に着目した際に、当
該画素に接続された走査信号線１６に印加される電圧を
示す。図３の構造の液晶素子では、各フィールド毎に走
査信号線Ｇ₁、Ｇ₂、…が線順次で選択され、１走査信号
線には選択期間ｔ_onにおいて所定のゲート電圧Ｖ_gが印
加され、ゲート電極２２に電圧Ｖ_gが加わり、ＴＦＴ１
４がオン状態となる。他の走査信号線が選択されている
期間に相当する非選択期間ｔ_offにはゲート電極２２に
電圧が加わらず、ＴＦＴ１４は高抵抗状態（オフ状態）
となり、ｔ_on毎に所定の同一の走査信号線が選択されて
ゲート電極２２にゲート電圧Ｖ_gが印加される。

【００５７】図６（ｂ）は、当該画素に接続された情報
信号線１３に印加される電圧を示す。図６（ａ）で示す
ように、各フィールドの選択期間ｔ_onでゲート電極２２
にゲート電圧Ｖ_gが印加された際、これに同期して当該
画素に接続された情報信号線１３からソース電極２７
に、所定のソース電圧（情報信号電圧）Ｖ_s（基準電位
を共通電極４２の電位Ｖ_cとする）が印加される。

【００５８】ここで、１フレームを構成する第一のフィ
ールド（１Ｆ）では、当該画素に書き込まれる情報、例
えば用いる液晶に応じた電圧−透過率特性を基に当該画
素で得ようとする光学状態または表示情報（透過率）に
応じたレベルＶ_xの正極性のソース電圧が印加される。
この時、ＴＦＴ１４がオン状態であるため、上記ソース
電極２７に印加される電圧Ｖ_xがドレイン電極２８を介
して画素電極１５に印加され、液晶容量（Ｃ_lc）３１及
び保持容量（Ｃ_s）３２に充電がなされ、画素電極１５
の電位がソース電圧Ｖ_xになる。続いて、当該画素に接
続された走査信号線１６の非選択期間ｔ_offにおいてＴ
ＦＴ１４は高抵抗（オフ状態）となるため、この非選択
期間には、液晶容量３１及び保持容量３２では選択期間
ｔ_onで充電された電荷が蓄積された状態を維持し、電圧
Ｖ_xが保持される。そして、当該画素の液晶部分ではこ
の電圧値に応じた光学状態（透過光量）が得られる。こ
の時、液晶の応答速度がｔ_onより遅い場合、液晶容量３
１及び保持容量３２に充電が完了し、ゲートがオフされ
た非選択期間にもスイッチングが行われる。このような
場合は、自発分極５０（図５）の反転によって充電され
た電荷が相殺されて、液晶に印加される電圧が図６
（ｃ）のようにＶ_xよりＶ_d小さいＶ_x _’という値をと
る。

【００５９】次に、第二のフィールド（２Ｆ）の選択期
間ｔ_onでは、第一のフィールド（１Ｆ）とは極性が逆で
絶対値が同じ電圧値Ｖ_xを有するソース電圧（−Ｖ_x）が
ソース電極２７に印加される。この時、ＴＦＴ１４がオ
ン状態であり、画素電極１５に電圧−Ｖ_xが印加され
て、液晶容量３１及び保持容量３２に充電がなされ、画
素電極１５の電位がソース電圧−Ｖ_xになる。続いて、
非選択期間ｔ_offにおいて、ＴＦＴ１４は高抵抗（オフ
状態）となるため、この非選択期間には、液晶容量３１
及び保持容量３２では選択期間ｔ_onで充電された電荷が
蓄積された状態を維持し、電圧−Ｖ_xが保持される。そ
して、当該画素における液晶４９に第二のフィールド
（２Ｆ）期間を通して電圧−Ｖ_xが印加され、当該画素
ではこの電圧値に応じた光学状態（透過光量）が得られ
る。この時も同様に液晶の応答速度がｔ _onよりも遅い場
合、液晶容量３１及び保持容量３２に充電が完了し、ゲ
ートがオフされた非選択期間にもスイッチングが行われ
るため、自発分極５０の反転によって充電された電荷が
相殺されて、液晶に印加される電圧が図６（ｃ）のよう
に−Ｖ_xより絶対値がＶ_d小さい−Ｖ_x _’という値をと
る。

【００６０】図６（ｃ）は上述したような当該画素の液
晶容量３１及び保持容量３２に実際に保持され液晶に印
加される電圧値Ｖ_pixを、図６（ｃ）は当該画素での液
晶の実際の光学応答を透過光量（％）で最暗状態を０％
として模式的に示す。図６（ｃ）に示すように、２フィ
ールド（１Ｆ及び２Ｆ）を通じて印加電圧は互いに極性
が反転しただけの同一レベル（絶対値）Ｖ_x _’である。
一方、図６（ｄ）に示すように、第一フィールド（１
Ｆ）では、Ｖ_x _’に応じた階調表示状態（透過光量；
Ｔ_x）が得られ、第二フィールド（２Ｆ）では、−Ｖ_x _’
に応じた階調表示状態が得られるが、β₁＞β₂であるた
め、実際にはわずかな透過光量の変化しか得られず、透
過光量はＴ_xより小さく、０レベルに近いＴ_yとなる。

【００６１】上述したようなアクティブマトリクス駆動
では、カイラルスメクチック液晶を用いて良好な高速応
答性に基づいた階調表示が可能となると同時に、１画素
であるレベルの階調表示と高い透過光量を得る第一フィ
ールドと低い透過光量を得る第二フィールドに分割して
連続的に行うため、時間開口率が５０％以下となり、人
間の目の感じる動画高速応答特性も良好になる。当該効
果を得る上で、先に示したβ₁とβ₂との関係は、β₁≧
５×β₂であることが好ましい。

【００６２】また、第二フィールドにおいては液晶分子
の若干のスイッチング動作により完全に透過光量が０に
はならないので、フレーム期間全体での人間の目に感じ
る輝度は確保される。さらに、第一及び第二フィールド
で同様のレベルの電圧が極性反転して液晶４９に印加さ
れるため、液晶４９に実際に印加される電圧が交流化さ
れ液晶の劣化が防止される。

【００６３】上記のアクティブマトリクス駆動では、２
フィールドからなる１フレーム全体では、Ｔ_xとＴ_yを平
均化した透過光量が得られる。このため、ソース電圧Ｖ
_sについては、実際に当該フレームで当該画素で得よう
とする画像情報（階調情報）に応じて、所定のレベルだ
け大きな透過光量を得ることができる電圧値を選択して
印加することで、第一フィールド１Ｆにおいて、所望の
階調状態より高いレベルの透過光量での階調状態を表示
することも好ましい。

【００６４】

【実施例】（実施例１）下記液晶性化合物を混合して液
晶組成物Ａを調整した。各構造式に併記した数値は混合
の際の重量比率である。

【００６５】

【化５】

【００６６】上記液晶組成物Ａの昇温時の相転移温度を
示す。

【００６７】

【化６】Ｃｒｙ：結晶相

【００６８】次に、透明電極として厚さ７００ÅのＩＴ
Ｏ膜を形成した厚さ１．１ｍｍの一対のガラス基板を用
意した。該基板の透明電極上に、下記の繰り返し単位を
有するポリイミド前駆体をスピンコート法により塗布
し、その後、８０°で５分間の前乾燥を行った後、２０
０°で１時間加熱焼成を施し、膜厚２００Åのポリイミ
ド被膜を形成した。

【００６９】

【化７】

【００７０】続いて、上記ポリイミド被膜に対して一軸
配向処理としてナイロン布によるラビング処理を施し
た。ラビング処理の条件は、直径１０ｃｍのロールにナ
イロン（帝人社製「ＮＦ−７７」）を貼り合わせたラビ
ングロールを用い、押し込み量０．３ｍｍ、送り速度１
０ｃｍ／ｓｅｃ、回転数１０００ｒｐｍ、送り回数４回
とした。

【００７１】次いで、一方の基板上にスペーサとして平
均粒径１．４μｍのシリカビーズを散布し、各基板のラ
ビング処理方向が互いに反平行になるように対向させ、
均一なセルギャップのセル（単画素の空セル）を作製し
た。このセルに液晶組成物Ａを等方性液体状態で注入
し、等方相から２０℃／ｈでＳｍＣ^*相を示す温度まで
冷却し、この冷却の際、Ｃｈ−ＳｍＣ^*相転移前後にお
いて、−５Ｖのオフセット電圧（直流）電圧を印加して
冷却を行う処理を施し、液晶素子を作製した。

【００７２】得られた液晶素子のセル厚をベレック位相
板によって測定したところ、約１．４μｍであった。ま
た、この素子を用いて、１００ｋＨｚ、０．５Ｖの正弦
波電圧を印加して誘電率ε（⊥）を測定した。結果を以
下に示す。

【００７３】

【表１】

【００７４】上記液晶素子の３０℃における配向状態を
顕微鏡により観察したところ、均一で良好な配向が得ら
れていることがわかった。また、電界無印加における消
光位軸はラビング方向と２．６°ずれていた。次に、６
０Ｈｚ、ピーク電圧２０Ｖの矩形波電圧を１００時間印
加し続けた後、同様に配向観察及び消光位軸を測定した
ところ、初期の状態と全く変化していないことがわかっ
た。

【００７５】（実施例２）下記液晶性化合物を混合して
液晶組成物Ｂを調整した。各構造式に併記した数値は混
合の際の重量比率である。

【００７６】

【化８】

【００７７】

【化９】

【００７８】上記液晶組成物Ｂの昇温時の相転移温度を
示す。

【００７９】

【化１０】

【００８０】上記液晶組成物Ｂを用いる以外は実施例１
と同様にして液晶素子を作製した。得られた液晶素子の
誘電率ε（⊥）を下記に示す。

【００８１】

【表２】

【００８２】上記液晶素子の３０℃における配向状態を
顕微鏡により観察したところ、均一で良好な配向が得ら
れていることがわかった。また、電界無印加における消
光位軸はラビング方向と３．４°ずれていた。次に、６
０Ｈｚ、ピーク電圧２０Ｖの矩形波電圧を１００時間印
加し続けた後、同様に配向観察及び消光位軸を測定した
ところ、初期の状態と全く変化していないことがわかっ
た。

【００８３】（比較例１）下記液晶性化合物を混合して
液晶組成物Ｃを調整した。各構造式に併記した数値は混
合の際の重量比率である。

【００８４】

【化１１】

【００８５】

【化１２】

【００８６】上記液晶組成物Ｃの昇温時の相転移温度を
示す。

【００８７】

【化１３】

【００８８】上記液晶組成物Ｃを用いる以外は実施例１
と同様にして液晶素子を作製した。得られた液晶素子の
誘電率ε（⊥）を下記に示す。

【００８９】

【表３】

【００９０】上記液晶素子の３０℃における配向状態を
顕微鏡により観察したところ、均一で良好な配向が得ら
れていることがわかった。また、電界無印加における消
光位軸はラビング方向と３．１°ずれていた。次に、６
０Ｈｚ、ピーク電圧２０Ｖの矩形波電圧を１００時間印
加し続けた後、同様に配向観察及び消光位軸を測定した
ところ、むらの多い配向状態に変化していた。また、電
圧無印加における消光位軸とラビング方向とのずれ角を
測定したところ、３０．５°と大きく変化していた。

【００９１】上記したように、実施例１、２の液晶素子
は、比較例１の液晶素子に比べて電圧に対する配向安定
性が優れていることがわかった。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速応答でアナログ階調制御が可能であり、さらに高輝
度の動画質を長期に亘って安定して表示しうる液晶素子
が実現し、高画質のディスプレイとして非常に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶素子の一実施形態の基本構成を示
す断面模式図である。

【図２】本発明の液晶素子の電圧−透過率特性を示す図
である。

【図３】本発明の液晶素子をアクティブマトリクス型に
構成した実施形態に備えた形でアクティブマトリクス基
板の構成を中心に模式的に示した平面模式図である。

【図４】本発明の液晶素子をアクティブマトリクス型に
構成した実施形態の各画素分（１ビット分）の断面構造
の一例の断面模式図である。

【図５】図４に示した画素の等価回路図である。

【図６】本発明の液晶素子をアクティブマトリクス型に
構成した実施形態の駆動方法の一例のタイミングチャー
トである。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ基板２ａ、２ｂ電極３ａ、３ｂ絶縁膜４ａ、４ｂ配向膜５液晶６スペーサ１０パネル部１１走査信号ドライバ１２情報信号ドライバ１３情報信号線（ソース線）１４ＴＦＴ１５画素電極１６走査信号線（ゲート線）２０アクティブマトリクス基板２１基板２２ゲート電極２３ゲート絶縁膜２４ａ−Ｓｉ層２５、２６ｎ＋ａ−Ｓｉ層２７ソース電極２８ドレイン電極２９チャネル保護膜３０保持容量電極３１液晶容量３２保持容量４０対向基板４１基板４２共通電極４３ａ、４３ｂ配向膜４９液晶５０自発分極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/1337 ５１０Ｇ０２Ｆ 1/1337 ５１０ 1/1368 1/1368 (72)発明者清水康志東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者寺田匡宏東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H088 GA03 GA04 GA17 HA02 HA03 HA08 HA12 JA17 JA20 KA12 KA15 KA26 MA10 MA13 2H090 HB08Y LA04 LA15 MA01 MA02 MA06 MB01 MB05 MB08 MB12 MB13 2H092 HA04 JA24 JA34 JA37 JB13 JB22 JB31 JB61 NA05 PA02 PA06 PA08 QA13 QA14 2H093 NA16 NA33 NA43 NA55 NA61 NC34 NC35 ND06 ND17 ND32 NF17 NF20 4H027 BA06 BC04 BD08 BD09 BD16 BD18 BD24 BE03 CQ05 DE01 DE05 DE09 DF01 DJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カイラルスメクチック液晶と、該液晶に
電圧を印加するための電極と、該液晶を挟持して対向す
ると共に、少なくとも一方の対向面に該液晶を配向させ
るための一軸配向処理が施された一対の基板と、を少な
くとも備えた液晶素子であって、上記液晶の、液晶分子
軸方向に直交する方向の誘電率ε（⊥）が４．０を超
え、電圧無印加時には、液晶の平均分子軸が単安定化さ
れた第一の状態を示し、第一の極性の電圧印加時には、
該液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で
上記第一の状態の位置から一方の側にチルトし、該第一
の極性とは逆極性の第二の極性の電圧印加時には、液晶
の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で上記第
一の状態の位置から第一の極性の電圧印加時とは逆側に
チルトし、上記第一の極性の電圧印加時と第二の極性の
電圧印加時の液晶の平均分子軸の第一の状態の位置を基
準とした最大チルト状態のチルト角をそれぞれβ₁、β₂
とすると、β₁＞β₂となることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】上記β₁、β₂がβ₁≧５×β₂である請求
項１記載の液晶素子。
【請求項３】上記液晶が、カイラルスメクチック相に
おいて誘電率ε（⊥）が４．０を超える請求項１または
２に記載の液晶素子。
【請求項４】上記液晶の相転移系列が、降温時に、等
方性液体相−コレステリック相−カイラルスメクチック
Ｃ相または等方性液体相−カイラルスメクチックＣ相で
あって、該液晶のスメクチック層の法線方向が実質的に
一方向である請求項１〜３のいずれかに記載の液晶素
子。
【請求項５】上記液晶のバルク状態でのらせんピッチ
がセル厚の２倍より長い請求項１〜４のいずれかに記載
の液晶素子。
【請求項６】複数の画素を有し、画素毎に画素電極と
アクティブ素子を備え、該アクティブ素子を介して各画
素の液晶をアクティブマトリクス駆動し、アナログ階調
表示を行う請求項１〜５のいずれかに記載の液晶素子。